大型直流电动机设计及结构特点

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(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

本文所述电机是为某公司中板厂增容改造设计的主传动直流电机。改造前的老电机是西屋公司上世纪五十年代制造的产品，绝缘性能已经下降，其功率转速比不能满足用户增产的要求。本文所述的改造后的电机在满足用户对安装尺寸要求的前提下，达到了用户所需要的功率转速比。

1 电机的型号及规格

改造后的电机铭牌参数：

型号Z2800/1240；额定功率3 800kW；额定电压950V；额定电流4 440A；转速50/100r/min；他励电压230V。

2 电磁设计简述

改造后电机的电磁方案是在某厂中板轧机设计经验的基础上进行设计的，完全满足某公司中板厂对电机性能的要求。

改造后的电机选用电枢直径2 800mm，铁心长1 240mm，共14极，换向器直径1 780mm。电枢483槽，每槽换向器2片导体，绕组采用单迭异槽形式，电枢绕组电密5.8A/mm2，线负荷697A/cm，热负荷4043，电枢1/3齿磁密2.2627T，电枢轭磁密1.3448T。定子补偿绕组电密4.76A/mm2，补偿百分比99%，换向极绕组电密4.44A/mm2，主极绕组电密1.92A/mm2，定转子气隙磁密0.9389T，主极极身磁密1.3796T，主极极靴齿磁密1.6195T，机座磁密1.2384T。换向器平均片间电压13.8V，高速电抗电势4.6V。改造后的电机单位转矩的转动惯量值达到0.225tm/kN，利用系数C达到7.8×10-6kW/cm3r，电磁设计上所达到的技术水平高于改造前的电机。

3 结构设计

3.1 改造后的电机采用卧式安装，结构如图1所示。

图1 电机结构图

3.2 电枢结构特点

改造后的电机电枢采用斜槽电枢铁心，斜槽可以消除由电枢齿、槽产生的磁通脉动以及换向片间电压的脉动，从而减少低速运行时的转速脉动和转矩脉动并降低电机噪声。电枢槽采用无槽楔结构，降低槽形高度，减少槽漏抗，从而降低电抗电势、改善换向。电枢铁心由10张扇形冲片拼成整圆，扇形片槽由数控冲槽机冲制，冲制时各片要编号，迭装片按编号顺序装迭。电枢铁心带有径向通风沟，通风沟宽度为8mm。电枢迭片后用两排拉紧螺杆拉紧铁心，其中外圆一排拉紧螺杆为绝缘螺杆；靠近冲片内圆一排拉紧螺杆为非绝缘结构。为提高抗扭振与机械强度，紧靠支架筋的两根螺杆，在螺帽下加装钢套，并将钢套牢固地焊在电枢压板上，既起到定位作用又能承受电枢压板与铁心的剪应力。电枢绕组采用全节距异槽式单迭绕组，这种绕组电抗电势波形平坦、对称性好，易与换向极磁场波形相匹配，电抗电势可以较理想的被换向极磁势抵消。同时，每槽2片导体的设计，可以使每个元件都和槽壁接触，散热情况较好。电枢支架采用三层星形辐板和盒形支臂，与支架毂焊接成一体，具备整体性好，结构简单，节省材料，通风空间大，抗弯抗剪和机械强度高的特点。电枢支架与轴的配合采用加热铁心和支架，用干冰冷却轴的冷热套轴法。换向器梯排采用银铜合金材料，增加换向器的耐磨性能。升高片采用铜-钢-钢结构，并以硬钎焊连接，提高了升高片的机械强度。

3.3 电枢绝缘特点

改造后的电机电枢冲片采用涂漆冷轧硅钢片，电枢线圈采用裸铜带加工成型后外包绝缘，导线绝缘半迭绕0.07mm聚酰亚胺薄膜上胶带一层，主绝缘半迭绕0.05mm聚酰亚胺薄膜二层(端部一层)、0.14mm环氧聚酯薄膜粉云母带一层，线圈热压成型后下线。支架绝缘采用绝缘压制件扣放在支架筋上，结构简单可靠。均压线采用蜗卷式结构，全台均压线做成一个整体，结构合理，安装方便，成型后整个均压线悬挂固定在电枢压板上。换向器端轴承采用绝缘轴承，以防止轴电流损坏轴瓦。传动端装有接地电刷，防止轴电压损坏轴瓦。

3.4 定子结构特点

改造后的电机定子机座采用了上下分瓣结构，结合部用螺栓连接，便于安装和检修。整圆定子铁心由14张扇形冲片组成，机座板与冲片一起迭装后，加压、焊接成型，增加了机座刚度。机座成形后内圆加工，保证圆度。主极铁心用1.5mm薄钢板迭成，冲片上开有大孔，迭片后插入钢棒，磁极螺栓拧入钢棒中的螺孔，使得把合牢靠、稳固。定子采用较多的补偿槽，每极补偿槽数14，可有效地消除电枢反应的影响。换向极铁心也是用1.5mm薄钢板迭成。换向极铁心铆压后进行真空整浸，铁心刚度好、不变形。定子主回路连线采用两路并联，补偿连接线采用与补偿线圈同一规格的铜带。补偿绕组连接线与补偿绕组、换向极连接均采用硬钎焊技术。定子主极线圈、换向极线圈和补偿线圈各装有Pt100铂热电阻两只。为防止机座变形，机座下部装有千斤顶支撑机座。

3.5 定子绝缘特点

改造后的电机定子主极冲片、换向极冲片、机座冲片均采用涂漆薄钢板。主极铆钉、换向极铆钉、机座冲片拉紧螺栓和电枢铁心拉紧螺栓均采用绝缘结构，以便适应整流电源供电的要求。主极线圈绕制时刷胶粘剂，绕制后在加热炉中热固化成型，主极极身绝缘垫环氧酚醛玻璃布板，前后端放绝缘间隔垫块，使主极线圈前后端与铁心之间有20mm间隙，有利于通风散热。补偿线圈为拉制成形的铜带，半迭绕聚酰亚胺薄膜四层，卷包聚酯薄膜一层，槽绝缘为聚芳纤维纸聚酯薄膜复合箔一层，补偿线圈插入槽后与主极一同进行整体真空压力浸无溶剂漆(VPI)。换向极绕组采用四角焊接结构，用硬铜母线每匝四角焊接成型，绕组用横穿铁心的绝缘螺杆固定，露出绕组的螺杆、螺母用绝缘帽封住，其外形整齐、美观，通风散热良好。

4 结语

目前，本文所述的改造后的直流电动机已顺利通过了产品设计、制造和所有型式试验项目。经过现场运行的情况来看，各项考核指标正常，技术水平明显优于改造前的电机，满足了用户的使用需求，得到了认可。这为以后改造此类电机奠定了良好的基础。

[1] 梁曦东，邱爱慈，孙才新，等.电机工程.中国电气工程大典(第9卷).北京：中国电力出版社，2009.

[2] 胡虔生，胡敏强.电机学.中国工业出版社，2009.7.

[3] 宝钢2050轧机大电机产品鉴定技术文件.哈尔滨电机厂，1991.